Muonium: The Atom That Breaks All The Rules

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en Brilliant.org/SciShow. [Intro] Hay un viejo chiste de física de partículas: "No confíes en los átomos, lo componen todo". Si bien eso no es del todo cierto, la mayoría de las cosas con las que interactuamos
a diario están hechas de átomos. Por lo tanto, tiene sentido que
todos tengamos que aprender sobre ellos. Y en la escuela nos enseñan que los
átomos están hechos de alguna combinación de protones, neutrones y electrones. El átomo más simple tiene solo un protón y un
electrón zumbando a su alrededor. Y eso es hidrógeno. Pero resulta que hay un "átomo
" que es incluso más simple que el hidrógeno. Se llama muonio y puede ayudar a los investigadores a
comprender los misterios más profundos de la física. El muonio recibe su nombre de
una partícula llamada muón.

Entonces, comencemos explicando qué es eso. Básicamente, es una partícula que es
casi exactamente como un electrón, con la misma carga eléctrica negativa. Pero hay dos diferencias clave entre ellos. Primero, un muón es unas 200 veces
más masivo que un electrón, aunque eso lo hace unas
nueve veces más ligero que un protón. Y segundo, es inestable. Después de aproximadamente dos millonésimas de segundo , se desintegrará espontáneamente, dejando atrás un
electrón y otras partículas subatómicas extrañas.

Esas dos millonésimas de segundo son imperceptiblemente
cortas para los humanos como nosotros, pero para los muones es suficiente para
interactuar con otras partículas, y no solo eso, sino también para
tener relaciones con ellas. ¡Y eso incluye hacer algo
que se parezca mucho a un átomo de hidrógeno! Pero esto no tiene ningún sentido. Si un muón tiene carga negativa y se supone que el hidrógeno tiene un
protón con carga positiva en su centro, ¿cómo es que el muonio es otro tipo de hidrógeno?
Bueno, eso se debe a que un átomo de muonio tradicional en
realidad no contiene un muón. Lo sé, es salvaje. En su lugar, utiliza un antimuón. Sí. Estamos tratando con un átomo
que está parcialmente hecho de antimateria. Si bien las visiones de explosiones de materia y antimateria pueden haber aparecido en tu cabeza, la antimateria es realmente
un tipo diferente de materia.

Cada tipo de partícula subatómica
tiene una contraparte 'anti-' con la misma masa pero carga eléctrica opuesta. Un antimuon tiene la misma masa que un muon y se desintegra en la misma cantidad de tiempo, pero tiene una carga positiva en
lugar de negativa. Y aquí está el punto clave: la fuerza de esa carga positiva es exactamente la misma que la
carga positiva de un protón. Entonces, si un viejo electrón normal
está en órbita alrededor de un antimuón, ese es un átomo de muonio. Esas cosas no se aniquilan entre sí porque no son la
contraparte de materia-antimateria de la otra. Y cuando se trata de química, la
diferencia de masa entre un protón y un antimuón no importa
tanto como sus cargas eléctricas idénticas.

Entonces, un átomo de muonio, ignorando
su vida útil súper corta, actúa como un químico casi de la misma
manera que lo hace un átomo de hidrógeno basado en protones. ¡Es por eso que algunos científicos consideran que el
muonio es la forma más ligera de hidrógeno! Y al igual que otras formas de hidrógeno, como el deuterio y el tritio, los químicos le dieron al muonio un
símbolo químico honorario: Mu. Si prefiere pensar en el
muonio como su propio elemento, y no como un tipo peculiar de hidrógeno, eso podría
hacer que el muonio sea el elemento más simple del universo. Al igual que los muones, los antimuones son fundamentales. Son tan simples como puede ser una sola
partícula subatómica. Mientras tanto, un protón individual es… complicado. No es fundamental Cada uno está hecho de partículas más pequeñas llamadas quarks. Entonces, incluso si el átomo de hidrógeno más simple tiene solo un protón y un
electrón, el muonio es aún más simple.

En estos días, los antimuones son bastante fáciles
de crear en los aceleradores de partículas, aunque salen viajando bastante rápido. Por lo tanto, hacer muonio requiere tomar un
haz concentrado lleno de antimuones y luego reducir su velocidad. Esto se puede hacer literalmente simplemente poniendo
aluminio o papel de oro en el camino del haz, lo que ralentiza los antimuones al hacer
que choquen con electrones y similares. Cuando se vuelven agradables y lentos, el viejo
adagio de "los opuestos se atraen" entra en acción. Los antimuones cargados positivamente pueden desprenderse de algunos de los
electrones cargados negativamente que orbitan alrededor de otros átomos para formar un montón de muonio.

Ahora, los físicos no están haciendo todos
estos átomos exóticos solo por diversión. Quieren hacer muonio porque
les permite usar técnicas experimentales del campo bien desarrollado de la
física atómica para estudiar nuestra turbia realidad subatómica. Por ejemplo, cada tipo de átomo
tiene una secuencia única de colores que emite y absorbe. Se llama espectro y es básicamente un código de barras que
permite a los científicos aprender más sobre la estructura subatómica y las
propiedades de un átomo determinado.

El muonio también tiene su propio espectro, que es más fácil de calcular
porque el átomo es más simple. Por lo tanto, los científicos pueden estudiar el espectro
con detalles exquisitamente precisos y usarlo para probar cómo la física
dice que los muones deberían verse y actuar. Eso les permite buscar lugares donde
fallan sus teorías sobre los muones. Y dado que esas teorías tienden a describir
cómo se supone que actúan otras partículas, se convierte en un banco de pruebas para
toda la física de partículas.
Pero el muonio podría incluso ayudar a responder
preguntas sobre un fenómeno que es un poco más tangible
para la mente humana: la gravedad.

Específicamente, ¿la gravedad atrae la antimateria de
la misma manera que atrae la materia normal? Nadie lo sabe, porque nadie ha fabricado
suficiente antimateria para "pesarla" adecuadamente. Pero el muonio puede ser la solución perfecta. El muonio no solo es relativamente fácil de fabricar, sino que
el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro. Eso significa que será más fácil para los
científicos descartar cualquier efecto causado por la fuerza electromagnética y
centrarse únicamente en cómo actúa la gravedad. Y debido a que estamos en el
juego de la antimateria, el antimuonio también es una cosa. En lugar de que un antimuón forme
un enlace con un electrón regular, se trata de un
muón regular cargado negativamente que se combina con un antielectrón cargado positivamente. Entonces, si los científicos alguna vez detectan átomos de muonio
y antimuonio 'cayendo' de diferentes maneras bajo las mismas condiciones…

Ya sea más rápido, más lento o
incluso en direcciones diferentes … ¡será una clara señal de que está
ocurriendo algo de física nueva e inexplicable! Lo que significa que sí, el átomo
que rompe todas las reglas podría romper una de las reglas más importantes
del universo y, literalmente, caer hacia arriba. Es posible que nunca veamos que el muonio obtenga su
propia casilla en la tabla periódica, o que se enseñe a la próxima generación
de estudiantes de primaria, pero podría convertirse en
uno de los átomos más importantes en nuestra búsqueda para comprender la realidad. Los átomos son objetos cuánticos extraños
que hacen que el mundo gire, pero también rompen las reglas de
la mecánica clásica y la probabilidad. Pero eso no significa que tengan que ser un misterio, porque hay cosas como el
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